深埋隧洞高地應力巖體破壞型式研究及防治措施

王琛濤

(新疆水利水電勘測設計研究院有限責任公司,新疆 烏魯木齊 830000)

隨著我國隧道建設的高速發展，穿越復雜地質條件下隧道越來越多，其“長、大、深”隧道是未來發展的趨勢。中國西部地區蘊藏著十分豐富的礦產資源、水能資源，國家“十四五”規劃中的重大工程多數在西部地區。西部地區隧道與地下工程穿越的地質體多經過活動強烈的地質構造，其地質結構復雜、地應力高，隧道發生的巖爆、大變形等地質災害風險性高，施工處理措施不全，往往會發生坍塌、變形，導致支護結構破壞、侵占斷面，甚至造成機械設備損壞，人員傷亡，延誤工期，增加工程投資，給施工帶來預想不到的困難。深埋隧洞高地應力巖爆、大變形、圍巖失穩破壞已經成為制約地下工程施工的重要地質災害。研究區域構造應力場背景和深部巖體內的原始地應力場空間分布形態與特征，對巖體產生破壞力學機制成因分析及相應的防治具有重要的理論和實際意義。本文依托新疆YEGS二期供水工程XE隧洞深埋隧洞高地應力巖體破壞型式及破壞機制進行分析研究，并提出相應的防治處理措施，可為類似工程的勘察設計施工提供經驗與指導。

1 區域構造應力場背景研究

中國西部地區構造應力場的形成與板塊運動有著密切的聯系。中生代以來，隨著印度板塊向北東方向的推進，使我國西部地區形成一系列向北東突出的弧形構造，由此奠定了中國西部地區活動構造和地應力場的基礎。印度洋板塊陸殼與歐亞板塊的碰撞大致開始于始新世，隨著板塊陸殼的碰撞，強烈的構造運動和巖漿活動，導致我國西部地區的地質地貌發生了大規模的變革，這一構造變動不僅強烈地變革了西藏地區，而且對西南、西北地區也有強烈的影響，這種變形作用在西南地區從東往西，在西北地區由北到南都變得強烈。印度板塊與歐亞板塊碰撞的結果是產生扇形輻射狀應力場(如圖1所示)，對西部地區構造應力場起到主導作用。

圖1 中國地應力場分布圖

在這一應力場作用下，我國西部地區形成了大規模的弧形斷層系(如圖2所示)，這些斷層系也因受此應力場作用而發生大規模的水平滑動，西部地區存在著2個不同級別的現代構造應力場，印度板塊與歐亞板塊碰撞產生的應力場被稱作一級應力場，另外是受大型走滑斷裂活動的影響所產生的二級應力場。西部地區現代地應力場的顯著特點是以水平擠壓應力占優勢，主壓應力方向具有分區性，應力狀態復雜。受到近南北方向的擠壓作用，天山南北兩側及鄰近地區以壓應變為主，主壓應力方向與山脈走向基本正交，天山及鄰近地區應變場的主壓應變優勢分布方向為NNW向，西北部的二級應力場表現為南北—北北東向。

圖2 中國大地區域構造略圖

2 工程背景

2.1 工程概況

XE工程是YEGS二期供水工程重要組成部分，采用隧洞+倒虹吸+輸水渠涵的方式進行輸水，輸水線路總長148.246km，隧線占比高達95.0%，隧洞總長140.7km，分為5條隧洞，其中1#隧洞位于首部，全長72.89km，隧洞中部穿越阿爾泰山南麓中山區，隧道埋深400～720m，深埋隧洞約16km，采用3臺Φ7.8m開敞式硬巖掘進機TBM和鉆爆法相結合進行開挖，單臺TBM掘進長度為15.5～22km，縱坡為i=1/2310。

2.2 隧洞基本地質條件

1#隧洞中段位于侵蝕構造中山區阿爾泰山南坡一帶，海拔高程1000～1650m，地形起伏較大，高差300～500m，山頂多呈侵蝕夷平面，基巖大多裸露，局部地表分布有第四系洪積和風積物。隧洞巖性為奧陶系中上統哈巴河組黑云母石英片巖、二云石英片巖；華力西期變質黑云母花崗巖夾閃長巖、黑云母斜長花崗巖、片麻狀花崗巖、混合巖化花崗巖、黑云母斜長混合片麻巖等。隧洞內發育多條次級小斷層，斷層主要以NW向為主，其次NE向斷層，斷層規模一般5～30m不等，斷層構造對隧洞穩定影響較大。隧洞大部分洞段為貧水區，地下水活動狀態以滲水、滴水為主，局部線狀流水。

3 隧洞地應力分析與巖爆預測

3.1 地應力測試及分析

工程勘察前期對1#隧洞深埋段3個鉆孔內進行了水壓致裂法地應力測試，見表1。

表1 鉆孔地應力測試結果表

根據鉆孔地應力測試成果，測試范圍內實測最大水平主應力為7.2～21.6MPa，最小水平主應力為4.6～15.0MPa，鉛直應力為3.1～18.0MPa。最大水平主應力方向主要為N31°～58°W，即NW向，與區域構造應力方向上有所不同，分析認為測區位于海琉-沖乎-鹽池斷裂與沖乎爾-塔爾浪斷裂交匯區，海琉-沖乎-鹽池斷裂走向呈NWW-NW，南段與山前NWW向斷重合，北段以右旋走滑運動為主，控制海流灘第四紀盆地和沖乎爾第四紀盆地；沖乎爾-塔爾浪斷裂走向呈NWW-NW，運動性質為右旋逆走滑，地應力場受局部構造影響較大，地應力場方向與NWW-NW向海琉-沖乎-鹽池斷裂與沖乎爾-塔爾浪斷裂右旋逆走滑斷裂吻合。主應力方向基本平行或小角度相交于隧洞軸線(N48°W)。

洞身圍巖Rc/σmax(σmax為垂直于洞軸線方向的最大初始應力)分別為3.2、2.8、3.5，依據GB 50287—2016《水力發電工程地質勘察規范》，隧洞巖體地應力分級屬于高地應力。

3.2 巖爆預測分析

巖爆是指在高地應力狀態下堅硬巖體彈性變形能突然釋放所發生的脆性破裂現象。隧洞圍巖巖性為華力西晚期侵入變質花崗巖、黑云母斜長片麻巖、閃長巖及奧陶系二云母石英片巖等，為中-堅硬巖，巖石具有片麻理、片理結構，隱節理發育，片理產狀與主壓應力方向大致相同或交角很小，地下水貧乏，具備發生巖爆的地質條件。

目前國內針對巖爆判據有巖石強度應力比法(國標GB判據)、巖石應力強度比(Hoek判據)、Turchaninov判據、Russenes判據、二郎山隧道判據、陶振宇判據、Barton判據、脆性判據和彈性變形能指數Wet經驗判據，本次巖爆預測分析，采用巖石強度應力比法、Hoek判據、Turchaninov判據3種方法進行定性的巖爆預測。

(1)巖石強度應力比法(見表2)

表2 巖石強度應力比法表

根據巖石強度應力比法，輕微巖爆段臨界埋深500～550m，個別埋深達到650m，巖石強度應力比值4.0～7.0，中等巖爆臨界埋深500～750m，巖石強度應力比值3.2～3.9。

(2)巖石應力強度比法(見表3)

表3 巖石應力強度比法表

根據巖石應力強度比法，輕微巖爆段臨界埋深510～580m，個別埋深達到700m，巖石應力強度比值0.3～0.47，中等巖爆臨界埋深550～650m，巖石強度應力比值0.5～0.58。

(3)Turchaninov判據(見表4)

表4 Turchaninov判據

Turchaninov巖爆判別法是根據科拉島希賓地塊的礦井建設經驗，提出了巖爆活動性由洞室切向應力σθ和軸向應力σL之和與巖石單軸抗壓強度Rc之比值確定，根據實測的最大、最小水平主應力值及其方向以及垂直方向應力值，按下式計算隧洞橫斷面上的應力分量：

隧洞周邊圍巖切向應力以圓形洞近似估算，洞頂和邊墻中點的應力狀態為：

式中，(σθ)頂、(σθ)邊—隧洞洞頂和邊墻中點的切向應力。

根據洞室切向應力和軸向應力之和與巖石單軸抗壓強度比值計算，無巖爆臨界埋深210～250m，個別臨界埋深410m；有巖爆及肯定發生巖爆臨界埋深500～590m，個別臨界埋深700m。

通過3種方法進行巖爆預測分析，巖爆的等級與巖石強度及最大水平主應力息息相關，1#隧洞埋深200～550m具備發生輕微巖爆，埋深大于550m具備發生中等巖爆。

4 隧洞巖體破壞型式研究

1#隧洞深埋段處于高地應力場區，根據現場已揭露隧洞巖體的特性及圍巖失穩機制類型進行巖體破壞型式研究。巖體的穩定性受控于地應力作用下形成的各個結構面和現今地應力場與巖體的相互關系。高地應力下巖體的力學行為和巖體自身復雜的地質結構使得深埋隧洞圍巖在開挖過程中表現出復雜多變的破壞現象，堅硬脆性巖體破壞模式可分為脆性破壞、松弛破壞，中硬-軟弱巖體以塑性變形破壞為主，典型破壞型式大致可分為10種，如圖3所示和見表5。

表5 破壞機制、深埋隧洞巖體的典型破壞模式

圖3 圍巖典型破壞型式分類

根據現場地質編錄資料統計分析，1#隧洞深埋隧洞段TBM2已施工開挖長度12.2km，受高地應力巖體破壞造成的圍巖失穩，形成坍塌、塌方多達159處，具體破壞形式所占比例如圖4所示，現對破壞型式進行分析總結，并提出相應防治處理措施。

圖4 隧洞圍巖典型破壞型式統計

4.1 巖爆

巖爆是硬質脆性巖體內聚集大量彈性應變能，由于施工開挖擾動，使得地應力分異調整，圍巖應力能量進一步積累超過巖體承載能力突然釋放，產生張-剪脆性破壞的結果。根據現場大量的巖爆微震監測預警資料(464期、長度約4.0km)及現場地質復核，隧洞發生中等巖爆臨界埋深約600m，比前期巖爆預測深度略深50～100m?，F場發生中等巖爆共62處，以構造應變型和強度應力型為主，構造應變型巖爆數量39處，強度應力型巖爆23處。強度應力型巖爆主要發生在堅硬、完整變質花崗巖洞段，巖體壓應力集中區內的彈性應變能積累水平超過圍巖的承受能力后直接導致的圍巖破壞，往往破壞發生位于距掌子面后方3倍洞徑范圍內，具有時滯性，多形成“V”字型爆坑，發生區域主要集中在頂拱兩側環向11～1點鐘方向，破壞寬度1～2m，徑向深度0.3～1.0m。構造應變型巖爆主要發生在堅硬、較完整黑云母斜長片麻巖洞段，巖石內部存在片麻理結構，片麻理產狀與主構造線形跡一致NW向，與最大水平主應力小角度相交，隧洞開挖后，圍巖應力調整沿片麻理結構面積聚的能量升高，集中應力達到巖石強度的臨界值時，裂紋尖端開始擴展，形成新的裂紋，同時釋放出應變能產生的圍巖破壞，巖爆發生多以及時性為主，隧洞開挖后即發生巖體破壞，而后巖體內裂紋增多，進而發生持續性破壞。發生區域主要集中在頂拱兩側環向10～2點鐘方向，破壞寬度2～4m，徑向深度0.3～1.0m。

TBM施工洞段巖爆防治措施：①降低掘進速度，加大刀盤噴水量，對已揭露圍巖進行灑水，軟化圍巖，降低巖爆發生幾率和強度等級；②針對輕微巖爆洞段可采用砂漿錨桿+掛網+噴混凝土處理；③針對中等-強巖爆洞段采用預應力或漲殼式錨桿+掛網+噴纖維混凝土+鋼拱架處理，施作徑向及超前應力釋放孔；④強-極強巖爆洞段采用上導洞鉆爆法+主洞TBM開挖方案。

4.2 張裂、劈裂剝落

高地應力硬脆巖體、層狀巖體壓應力和拉應力集中導致的張拉破壞，主要破壞形式有片幫、彎折內鼓、結構面拉裂、結構面剪切張裂，現場統計破壞數量多達44處。

片幫剝落主要發生在堅硬、完整變質花崗巖洞段，巖石內部存在微裂隙、微裂紋，在切向集中應力作用下發生劈裂拉伸，緩慢釋放巖體彈性勢能，無聲響和彈射現象，多呈薄片狀或板狀破裂，集中兩側拱肩及邊墻部位，環向寬度0.5～2m，影響深度0.1～0.3m。

彎折內鼓主要發生在黑云母石英片巖洞段內，黑云母石英片巖具有薄層-中厚層狀，走向與隧洞軸線小角度相交，傾角50°～60°，傾向左側洞壁。隧洞開挖后左側邊頂拱處及右側底拱處在偏壓應力的影響下，切向應力往往超過巖體的抗拉強度，導致巖體沿片理面發生彎折內鼓破壞，多形成片狀、板狀破裂，集中在左側邊頂拱處及右側底拱部位，環向寬度1～3m，影響深度0.2～0.5m。

結構面拉、剪張裂主要發育在黑云母斜長片麻巖洞段，巖體具片麻理結構，明暗礦物定向排列，局部結構面附著大量黑云母。隧洞開挖后，結構面上下的法向應力減小，切向應力集中導致結構面的剪應力超過抗剪強度，形成剪切-張拉破壞，多形成板狀、塊狀塌落，主要頂拱及兩側拱肩部位，環向寬度2～4m，影響深度0.2～0.5m，個別達1m。

防治措施：①對松動剝落巖體予以清除；②采用砂漿錨桿+掛網+噴混凝土處理，必要時可采取預應力或漲殼式錨桿及鋼拱架進行支護。

4.3 構造型松弛破壞

高地應力下巖體構造松弛破壞主要破壞形式有斷層破碎帶塌方和裂隙組合形成的塌方，現場統計破壞數量多達51處。

斷層破碎帶塌方主要發生在隧洞揭露的斷層破碎帶及影響帶周邊，受構造活動動力地質作用的影響，巖體內部發生位錯以及動力變質作用，巖體強度低，圍巖自穩能力弱，隧洞開挖后，在重力及地下水侵蝕破壞作用下，圍巖迅速失穩。其影響程度一般與斷層破碎帶和影響帶的規模以及斷層走向與隧洞夾角有關，規模較大的斷層會增加TBM卡機風險。TBM2施工洞段共揭露12條斷層，斷層規模均較小，破碎帶寬度一般0.5～2m，影響帶2～3m，沿斷層破碎帶均發生塌方事故，影響寬度最大達6～7m，深度1.5～3.0m。

裂隙組合塌方主要發育在較完整-完整性差的硬脆巖石洞段，巖石節理、裂隙發育，并相互切割，形成不穩定塊體，局部洞段節理密集發育切割形成碎裂巖體。隧洞開挖后，二次應力調整不穩定塊體凌空卸荷，塊體的自身重力超過結構面的抗剪強度，發生坍塌和塌方現象。隧洞頂拱范圍內的不穩定塊體表現為垮落，邊墻范圍內的不穩定塊體表現為滑落。影響寬度最大達4～6m，深度0.5～1.5m。

防治措施：①遇斷層破碎帶應加強超前地質預報和地質宏觀分析判斷，必要時可采取超前鉆孔進一步掌握掌子面前方不良地質洞段基本地質情況；②根據地質信息，制定合理、可行、有效的工程處理措施，切勿盲目掘進，避免卡機風險；③針對裂隙發育部位應及時加強錨桿+掛網處理措施，必要時可采取預應力或漲殼式錨桿及鋼拱架進行支護。

4.4 塑性變形破壞

塑性變形破壞往往發生在軟弱圍巖中，從地質特征、強度特征、變形破壞形式可分為斷層破碎帶底鼓和軟弱巖體大變形。

斷層破碎帶底鼓主要發生規模較大的斷層破碎帶，受構造活動動力變質作用的影響，斷層帶內巖體破碎，大部分呈糜棱巖化碎屑包裹著斷層泥，原巖礦物蝕變形成大量次生的親水性礦物(高嶺石、伊利石、蒙脫石等)，在遇水后強度迅速降低，且具有一定膨脹性，在隧洞底板斷層破碎帶形成軟塑區域，在高地應力影響下，洞周的圍巖壓力向下傳遞，造成底板隆起變形。

防治措施：①針對隧洞底板通過大規模的斷層破碎帶，應做好施工排水；②對底板斷層破碎帶進行換填處理，及時封閉仰拱；③沿斷層破碎帶全斷面布設系統中空注漿錨桿，提高圍巖強度；④加強圍巖收斂變形監測。

軟弱巖體變形主要發育在黑云母石英片巖地層中，巖石具有鱗片變晶結構，巖體內黑云母含量高，強度低。隧洞開挖后，二次應力集中，洞周切向應力大于巖體片理結構面的強度，沿片理面剪張拉裂，隨著圍巖遇水后進一步軟化，巖體強度進一步劣化，圍巖塑性區域向巖體深部擴張，巖體繼續洞內卸荷變形，破壞原有支護系統，產生大的變形破壞。

防治措施：①在TBM邊刀增加墊塊或采用直徑略大的邊刀，實現擴挖功能，減少圍巖變形對二襯斷面的侵限；②采用加密加長系統錨桿，對露出護盾后圍巖及時采用應急噴混凝土封閉圍巖；③采用可伸縮型鋼拱架進行支護；④必要時可在掌子面前方進行超前注漿加固，提高巖體強度；⑤加強圍巖收斂變形監測。

5 結語

在復雜地質條件山嶺區修建深埋、長、大隧洞時，應充分了解區域構造地應力場背景，前期勘察設計選線隧洞軸線應盡可能與最大水平主應力平行或呈小角度布置，利用地應力測試成果對深埋隧洞進行巖爆、軟巖大變形等地質災害進行強度、變形等級的預測分析，為隧洞設計支護參數提供地質依據。施工開挖過程中，應加強超前地質預報和巖爆監測預警工作，充分認識高地應力巖體破壞型式及力學機制，合理采取相應的防治措施。